Magnos Rodrigo Klein
DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA HIDRÁULICO COM
VAZÃO VARIÁVEL PARA ACIONAMENTO DO
ESPALHADOR DE PALHA DE UMA COLHEITADEIRA DE
GRÃOS
Horizontina
2014
Magnos Rodrigo Klein
DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA HIDRÁULICO COM
VAZÃO VARIÁVEL PARA ACIONAMENTO DO
ESPALHADOR DE PALHA DE UMA COLHEITADEIRA DE
GRÃOS
Trabalho Final de Curso apresentado como
requisito parcial para a obtenção do título de
Bacharel em Engenharia Mecânica, pelo Curso
de Engenharia Mecânica da Faculdade
Horizontina.
ORIENTADOR: Anderson Dal Molin, MsC.
Horizontina
2014
FAHOR - FACULDADE HORIZONTINA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova a monografia:
“DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA HIDRÁULICO COM VAZÃO VARIÁVEL
PARA ACIONAMENTO DO ESPALHADOR DE PALHA DE UMA
COLHEITADEIRA DE GRÃOS”
Elaborada por:
Magnos Rodrigo Klein
como requisito parcial para a obtenção do grau de Bacharel em
Engenharia Mecânica
Aprovado em: 30/10/2014
Pela Comissão Examinadora
________________________________________________________
Prof. MsC. Anderson Dal Molin
Presidente da Comissão Examinadora - Orientador
_______________________________________________________
Prof. Dr. Richard Thomas Lermen
FAHOR – Faculdade Horizontina
______________________________________________________
Prof. Esp. Valmir Vilson Beck
FAHOR – Faculdade Horizontina
Horizontina
2014
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a minha esposa Aline e a
meu filho Théo, razões de tudo o que faço em
minha vida.
AGRADECIMENTOS
Aos familiares que me apoiaram neste projeto.
A faculdade Horizontina, principalmente ao
professor Anderson Dal Molin, sempre presente
com seus conselhos e considerações.
A empresa AGCO do Brasil, que tornou este
sonho possível.
Ao
engenheiro
Eduardo
Balzan
contribuição técnica a este trabalho.
por
sua
“A tarefa não é tanto ver aquilo que ninguém
viu, mas pensar o que ninguém ainda pensou
sobre aquilo que todo mundo vê.”
Arthur Schopenhauer
RESUMO
O agronegócio brasileiro apresentou um enorme crescimento baseado em técnicas e
inovações, entre elas destaca-se o método de plantio direto. Um dos manejos
propostos pelo sistema de plantio direto é a cobertura de solo com resíduos de
plantas processadas. Os espalhadores de palha são dispositivos utilizados para
distribuir esses resíduos provenientes do processamento dos grãos das
colheitadeiras por toda a largura de corte da plataforma. Este trabalho apresenta os
resultados obtidos no dimensionamento de um sistema de transmissão hidráulico
com controle variável de vazão em substituição ao sistema de transmissão atual
correia. O acionamento atual do espalhador de palhas permite apenas duas
rotações, além de necessitar de parada da colheitadeira para alternar entre as duas
rotações disponíveis. O objetivo deste trabalho foi dimensionar um novo sistema de
acionamento que não necessita de paradas da colheitadeira agregando mais
produtividade, segurança e robustez as colheitadeiras que usem este tipo de
acessório. Buscou-se na literatura pertinente, os dados necessários para o
dimensionamento e a especificação dos componentes do novo sistema de
transmissão proposto. A pesquisa bibliográfica permitiu dimensionar e especificar o
motor hidráulico dentro de uma faixa que atenda ao projeto e esteja disponível no
mercado. Da mesma forma a válvula reguladora de vazão, as mangueiras
hidráulicas da linha de pressão e retorno, tanto atenderam as especificações
esperadas no novo sistema de transmissão hidráulico, como se adaptaram
perfeitamente as bitolas já existentes no sistema hidráulico principal da colheitadeira,
onde os novos acessórios foram acoplados, o que torna o sistema de transmissão
proposto completamente compatível com o sistema hidráulico já existente na
colheitadeira. Pelos dimensionamentos realizados e pelas especificações escolhidas
conclui-se que o sistema de transmissão hidráulico proposto apresenta as
especificações desejadas para a solução do problema de pesquisa, bem como
apresenta especificações comerciais, o que o torno de fácil construção e reposição
de peças.
Palavras-chave: Espalhador de Palha. Sistema Hidráulico. Variável.
ABSTRACT
Brazilian agribusiness showed great growth based on techniques and innovations,
among them stands out the method of direct seeding. One of managements
proposed by the direct seeding system is the ground cover plants with waste
processed. The straw spreaders are devices used to deliver these residues resulting
from the processing of grain harvester over the entire width of the cutting header.
This paper presents the results obtained in the design of a hydraulic transmission
system with variable flow control to replace the current belt drive system. The actual
straw spreader drive allows only two rotations, as well as requiring the harvester
stopped to switch between the two rotations available. The objective of this work was
to scale a new drive system that does not require the harvester stops adding more
productivity, security and robustness combines that use this type of accessory.
Sought in the relevant literature, the necessary data for the design and specification
of the components of the proposed new drive system. A literature search allowed
size and specify the hydraulic motor within a range that meets the design and is
available in the market. Likewise the flow control valve, hydraulic hoses from the
pressure and return line, both attended expected the new hydraulic transmission
system specifications, as perfectly adapted existing in the main hydraulic system of
the combine, where new accessories gauges were coupled, which makes the
proposed transmission system fully compatible with the existing hydraulic system in
the harvester. Performed by sizing and specifications chosen by is concluded that the
hydraulic transmission system proposed features desired for the solution of the
research problem specifications and features commercial specifications, what about
construction and easy replacement of parts.
Palavras-chave: Straw Spreader. Hydraulic System. Variable.
SUMÁRIO
1.
INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 10
1.1. JUSTIFICATIVA .............................................................................................................................. 11
1.2. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 11
2.
REVISÃO DA LITERATURA ...................................................................................................... 12
2.1 PLANTIO DIRETO NO BRASIL ....................................................................................................... 12
2.2 IMPORTÂNCIA DA COBERTURA DE PALHA NO SOLO ............................................................... 12
2.3 ESPALHADORES DE PALHA ......................................................................................................... 13
2.4 SISTEMAS HIDRÁULICOS ............................................................................................................. 14
2.5 BOMBAS HIDRÁULICAS ................................................................................................................ 15
2.6 MOTORES HIDRÁULICOS ............................................................................................................. 16
2.7 VÁLVULAS DE CONTROLE ........................................................................................................... 17
2.8 FILTROS HIDRÁULIC0S ................................................................................................................. 18
2.9 BLOCOS MANIFOLD ...................................................................................................................... 19
2.10 TUBULAÇÕES HIDRÁULICAS ..................................................................................................... 19
3.
METODOLOGIA........................................................................................................................... 21
3.1 MÉTODOS E TÉCNICAS UTILIZADOS ......................................................................................... 21
4.
APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ................................................................ 25
4.1 DIMENSIONAMENTO DO MOTOR HIDRÁULICO ........................................................................ 25
4.2 DETERMINAÇÃO DA ELETROVÁLVULA...................................................................................... 26
4.3 DIMENSIONAMENTO DAS TUBULAÇÕES ................................................................................... 27
4.3 DETERMINAÇÃO DO REGIME DE ESCOAMENTO ..................................................................... 28
5.
CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................................................... 30
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................................... 31
ANEXO A – DESENHO DA BOMBA HIDRÁULICA ............................................................................ 33
ANEXO B – ESPECIFICAÇÃO DO MOTOR HIDRÁULICO ................................................................ 34
ANEXO C – ELETROVÁLVULA PWM HYDRAFORCE ..................................................................... 35
ANEXO D – ÁBACO PARA DIMENSIONAR DIÂMETRO INTERNO DE TUBO ................................ 36
ANEXO E – CATÁLOGO MANGUEIRAS PARKER............................................................................ 37
ANEXO F – ESPECIFICAÇÃO DO ÓLEO ISO VG 68......................................................................... 38
1. INTRODUÇÃO
O sucesso do agronegócio brasileiro se deve principalmente ao uso do plantio
direto nos anos 1960, o que ocasionou uma verdadeira revolução nos manejos
propostos para a época. Um dos manejos propostos pelo plantio direto é a cobertura
de solo com resíduo de palha proveniente do processamento de grãos das
colheitadeiras.
Para permitir uma cobertura de solo eficiente foram desenvolvidos alguns
dispositivos a serem acoplados nas colheitadeiras, onde pode-se destacar os
espalhadores de palhas, dotados de um ou mais conjuntos de pás em forma de
hélice, que permitem espalhar os resíduos de palha por toda a extensão de corte da
plataforma.
O espalhador de palhas analisado na pesquisa exploratória é acionado por
uma transmissão por correia, composta por polias, onde pode-se destacar que este
tipo de transmissão permite alterar a velocidade de rotação das pás do espalhador
em duas velocidades, sendo que para realizar esta troca é necessário parar a
operação da colheitadeira.
Para a alteração de velocidade das pás do espalhador de palhas das
colheitadeiras é necessário alterar a posição da correia no sistema de polias da
transmissão mecânica. Para realizar esta troca é necessário manter a colheitadeira
fora de operação. Assim pensou-se em um sistema que permitisse alterar a rotação
das pás do espalhador de palhas sem necessitar parar a operação da colheitadeira,
sistema até então, inexistente.
A fim de atender o problema de pesquisa, buscou-se nas literaturas
pertinentes, informações técnicas que permitissem o levantamento de dados e
posterior dimensionamento dos acessórios que compusesse o sistema proposto.
Uma pesquisa permitiu compreender o atual acionamento do espalhador de palhas,
bem como o sistema hidráulico atual da colheitadeira, buscando assim dimensionar
um novo sistema simples e funcional.
11
1.1. JUSTIFICATIVA
Este trabalho se justifica pelo dimensionamento de um sistema que trará
maior produtividade e segurança as máquinas agrícolas, devido a não necessidade
de parada para a variação de velocidade das pás do espalhador de palhas.
A substituição do sistema de acionamento por correia por um hidráulico
dotado de válvula variadora de vazão acrescenta maior tecnologia e robustez ao
sistema de acionamento do espalhador de palhas.
1.2. OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho foi dimensionar um sistema hidráulico com vazão
variável que permita alterar a rotação das pás do espalhador de palhas da
colheitadeira sem necessidade de paradas durante a colheita em substituição ao
sistema atual de transmissão por correia. O sistema deve apresentar características
que tornem a operação das colheitadeiras mais produtiva, associado à robustez e
facilidade de reposição dos componentes.
2. REVISÃO DA LITERATURA
2.1 PLANTIO DIRETO NO BRASIL
Segundo Embrapa (2014) as primeiras atenções ao plantio direto no Brasil
tiveram início na década de 60, mais precisamente nos anos de 1966, onde foram
plantadas leguminosas em pastagens no município de Matão, SP.
Embrapa (2014) também destaca que no ano de 1969 no estado do Rio
Grande do Sul, foram plantadas sementes de sorgo no município de Não-Me-Toque
utilizando a técnica do plantio direto. Os estados Brasileiros que concentraram o
maior número de pesquisadores no Brasil foram os estados do Rio Grande do Sul e
Paraná.
De acordo com Cruz, et al (2014) o plantio direto é uma técnica de cultivo na
qual se procura manter o solo sempre coberto por plantas em desenvolvimento e por
resíduos vegetais.
Floss (2014) cita que o rendimento da soja era de aproximadamente 20/30
sacas por hectare em 1980, aumentando este valor para 50/60 sacas na safra de
2011. Este crescimento no rendimento de produção se deve principalmente ao
processo de plantio direto.
2.2 IMPORTÂNCIA DA COBERTURA DE PALHA NO SOLO
De acordo com Floss (2014) a cobertura de solo é essencial para que não
haja impacto direto das gotas de chuva sobre o solo, causando a chamada erosão
superficial, formando assim uma crosta compactada.
Para Cruz, et al (2014) as principais funções da palhada no plantio direto são:
a redução dos impactos das gotas de chuva no solo; o aumento da infiltração da
água na terra; a redução significativa de perdas de solo e água devido erosão e
raios do sol; a redução da amplitude hídrica e térmica. Os principais efeitos podem
ser vistos na Tabela 1.
13
Tabela 1 – Efeitos da quantidade de resíduo
Resíduos
(t/ha)
Efeitos sobre a água e solo
Escorrimento
Infiltração
Perda de solo
(%)
(%)
(t/ha)
0
45,3
54,7
13,69
0,550
24,3
74,7
1,56
1,102
0,5
99,5
0,33
2,205
0,1
99,9
0
4,410
0
100,0
0
Fonte: Cruz, et al (2014).
Floss (2014) comenta que a palhada no solo melhora as propriedades físicas,
como redução da densidade e o aumento da porosidade, aumentando assim o
armazenamento da água da chuva nos microporos e de ar nos macroporos,
favorecendo assim a formação de húmus. Pesquisas recentes demonstram uma
necessidade anual de 9 a 12 toneladas de palha seca por hora para dar
sustentabilidade ao sistema de plantio direto.
2.3 ESPALHADORES DE PALHA
Segundo calado e barros (2014) o espalhador de palha é uma espécie de
torniquete de eixo vertical, posicionado na saída dos saca-palhas e animado por
movimento de rotação muito lento, com dois ou três braços guarnecidos com
palhetas que dispersam a palha em toda a largura de corte. A figura 1 mostra uma
configuração de espalhador de palhas com dois torniquetes.
Ikona (2014) cita que o espalhador de palha permite efetuar a distribuição de
forma uniforme sobre o solo, sendo um acessório que pode substituir o picador de
palhas.
Massey Ferguson (2004) destaca que o espalhador de palhas é um acessório
mais simples do que o picador de palhas, necessitando assim de menos potência
14
para o acionamento, cumprindo a função de espalhar a palha uniformemente sobre
a faixa colhida, sendo uma alternativa eficaz para culturas com quantidade de palha
não tão excessivas, usado principalmente na cultura de arroz e milho.
Figura 1 - Espalhador de Palhas
Fonte: AGCO do Brasil
2.4 SISTEMAS HIDRÁULICOS
Para Linsingen (2003) um sistema hidráulico é um conjunto de elementos
físicos convenientemente associados, que com a utilização de um fluido como meio
de transferir energia, permite a transmissão e controle de força e movimentos.
Um sistema hidráulico é, portanto, o meio através do qual uma forma de
energia de entrada é convertida e condicionada, de modo a se ter como
saída energia mecânica útil. (LINSINGEN, 2003, p. 17).
Linsingen (2003) afirma que os sistemas hidráulicos possuem características
que os tornam especialmente recomendados para uma série de aplicações, no
entanto apresentam também limitações que devem ser consideradas quando da
escolha do tipo de sistema a ser empregado, principalmente se a aplicação
específica for compatível com sistemas mecânicos, elétricos ou pneumáticos.
15
Palmieri (1997) cita que os sistemas hidráulicos são utilizados quando não
podemos ou não queremos utilizar sistemas mecânicos ou elétricos. Sendo que de
acordo com o tipo de aplicação, existe uma grande infinidade de tipos de circuitos
hidráulicos, porém, todos seguem um mesmo esquema, podendo ser divididos em
três partes principais: sistema de geração, de distribuição e de aplicação de energia.
O autor acima citado destaca que o sistema de geração é constituído pelo
reservatório, filtros, bombas, motores, acumuladores, intensificadores de pressão e
outros acessórios. O sistema de distribuição e controle é constituído por válvulas
controladoras de vazão, pressão e direcionais. No sistema de aplicação de energia
encontramos os atuadores, que podem ser: cilindros, motores hidráulicos e
osciladores.
Para Linsingen (2003) atualmente existem três campos identificados na
hidráulica: os sistemas convencionais, os sistemas servo-hidráulicos e os sistemas
hidráulicos proporcionais.
Linsingen (2003) ainda afirma que a partir da segunda metade da década de
1980, em face dos problemas da crise do petróleo, apareceram trabalhos
relacionados a novos fluidos de origem vegetal e retorno ao uso da água. Estes
estudos indicam que as possibilidades da hidráulica estão longe de acabar.
Palmieri (1997) afirma que nos dias atuais, sem a energia fluida, a tecnologia
moderna seria impossível, pois ela apresenta potência suficiente para erguer um
caminhão de grande porte, ou suficientemente pequena para prender um ovo sem
furar a casca.
2.5 BOMBAS HIDRÁULICAS
Segundo Palmieri (1997), a bomba é responsável pela geração de vazão
dentro do sistema hidráulico, sendo então responsável pelo acionamento dos
atuadores. Bombas hidráulicas convertem energia mecânica em energia hidráulica e
podem ser classificadas como de deslocamento positivo e não positivo.
Palmieri (1997) cita que a bomba de engrenagem, componente do sistema
hidráulico desta pesquisa, cria uma determinada vazão devido ao constante
engrenamento e desengrenamento de duas ou mais rodas dentadas. O constante
16
desengrenamento dos dentes cria uma descompressão na câmara de sucção,
fazendo que o fluido seja succionado do reservatório.
Esse tipo de bomba é geralmente usado para pressões até 210 bar e vazão
até 660 l/min. Vemos, então, que a bomba de engrenagens é melhor
utilizada em circuitos que requeiram baixa ou média vazão e pressão
relativamente alta. (PALMIERI, 1997, p. 135).
Na bomba de engrenagem interna, Palmieri (1997) destaca que as
engrenagens se movem na mesma direção, sendo sua construção mais compacta,
fornecendo uma vazão mais suave e menor ruído, sendo, porém mais cara, o que
limita bastante a sua aplicação. Já as bombas de excêntrico interno apresentam um
nível de ruído baixíssimo, mas, devido sua construção complexa, seu custo é
elevado.
2.6 MOTORES HIDRÁULICOS
Reik, et al (2005) citam que motores hidráulicos convertem energia hidráulica
em energia mecânica, sendo que como nas bombas hidráulicas existe um grande
número de princípios e tipos construtivos. Como nenhum tipo construtivo pode
atender de modo satisfatório todas as exigências, é preciso, escolher o motor
conveniente para cada aplicação.
Para Reik, et al (2005) a potência fornecida depende da vazão e da diferença
de pressão do motor, sendo que a potência é diretamente proporcional à rotação e
os motores rápidos são apropriados para aplicações onde alta densidade de
potência é necessária. Motores hidráulicos lentos são projetados para que as baixas
rotações já forneçam altos torques.
Para o dimensionamento do motor hidráulico é necessária a informação do
momento torçor. Segundo Shigley (2005) para o dimensionamento do momento
torçor, podemos lançar mão da Equação 1:
1
Onde:
T = é o momento torçor em N.m;
P = é a potência em W;
= é a rotação máxima em rpm;
17
Para os dimensionamentos do motor hidráulico podemos utilizar as Equações
2 e 3 conforme Reik, et al (2005):
2
Onde:
T = momento torçor em N.m;
Δp = diferença de pressão entre a entrada e a saida do motor em bar;
Vg = deslocamento volumétrico do motor em cm³/rev;
mh = rendimento mecânico hidráulico (0,9 – 0,95);
3
Onde:
n = rotação máxima do motor em rpm;
Q = vazão do motor em l/min;
Vg = deslocamento volumétrico do motor em cm³/rev;
vol = rendimento volumétrico (0,9 – 0,95);
2.7 VÁLVULAS DE CONTROLE
Dentre as muitas maneiras de controle de velocidade de uma máquina
hidráulica, Palmieri (1997) cita que pode-se lançar mão das válvulas reguladoras de
vazão, também chamadas de reguladoras de fluxo ou controle de vazão. Esse tipo
de válvula permite uma regulagem simples e rápida da velocidade através da
limitação da vazão de fluido que entra ou sai do atuador, modificando assim a
velocidade de seu deslocamento.
O autor acima citado afirma que dependendo do tipo de circuito ou da
aplicação os tipos de válvulas reguladoras de vazão serão diferentes, podendo elas
ser com compensação de pressão e sem compensação de pressão. As válvulas sem
compensação de vazão são do tipo mais simples, podendo ser comparadas com
18
uma torneira comum, pois faz a regulagem restringindo ou aumentando a passagem
do fluido.
Palmieri (1997) destaca que para acionamento de motores hidráulicos é
adequada à instalação da válvula na entrada após o direcional. Desta forma o fluxo
do fluido é controlado antes do mesmo entrar no atuador.
Uma das características mais importantes dos sistemas hidráulicos para
Linsingen (2003) é poder limitar ou controlar a pressão. Além da função básica de
segurança contra sobrecarga, a consequência imediata é o controle e/ou limitação
de forças e torques.
Sendo assim, Palmieri (1997) destaca que válvulas reguladoras de pressão
do tipo alívio e segurança têm duas funções em um circuito hidráulico, o de eliminar
a pressão no circuito ou em parte dele, a um nível pré-selecionado, e proteger o
sistema e os diversos equipamentos que o compõe, contra sobrecargas.
Para Linsingen (2003) a flexibilidade de direcionar o fluido a diferentes pontos
do sistema hidráulico, promover desvios ou interromper o escoamento quando
necessário constituem as características fundamentais do controle direcional
clássico.
Palmieri (1997) cita que o processo mais utilizado para se controlar a direção
e o sentido do fluxo de fluido em um sistema, é a utilização de válvulas de controle
direcionais. Este tipo de válvula pode ser de múltiplas vias, que com o movimento
rápido de um só elemento, controla a direção ou sentido de um ou mais fluxos
diversos de fluido.
2.8 FILTROS HIDRÁULIC0S
Palmieri (1997) cita que o fluido hidráulico, deve estar sempre isento de
impurezas, pois do contrário a vida útil do sistema hidráulico é encurtada, por isso, a
necessidade de utilização de filtros para a retirada de impurezas. Os filtros podem
ser químicos ou mecânicos.
Para Reik, et al (2005) filtros são aparelhos empregados para separar
substâncias sólidas, utilizando meios filtrantes de fibras ou granulados para eliminar
substâncias sólidas de fluidos ou para separar poeiras de gases,
19
Para Palmieri (1997) o filtro mecânico é composto por uma série de “malhas”
ou poros. Os poros retém um determinado tamanho de impurezas, permitindo a
passagem de partículas menores. Existem vários tamanhos de filtros, cada qual
determinado para uma vazão máxima.
2.9 BLOCOS MANIFOLD
Palmieri (1997) comenta que para facilitar a montagem e a manutenção de
unidades hidráulicas com diversos tubos e mangueiras conectados, pode-se lançar
mão dos blocos “manifold”, que nada mais são do que blocos de aço com furações
internas interligadas que substituem grande parte das canalizações.
Hydracompany (2014) afirma que as características gerais dos blocos
manifold
são:
agilidade
no
desenvolvimento
de
projetos
personalizados;
racionalização de espaço; redução de conexões e pontos de vazamento; rapidez na
manutenção e troca de válvulas; resposta mais rápida do sistema hidráulico.
Para Palmieri (1997), apesar de apresentar maior facilidade de montagem e
desmontagem, os blocos manifold, apresentam uma grande perda de carga, pois as
interligações formam cantos vivos, o que pode causar grande turbulência no fluido.
Hydracompany (2014) cita que os blocos manifold podem ser desenvolvidos
para um determinado projeto, podendo ser fabricados em alumínio de alta
resistência ou ferro fundido de fusão contínua.
2.10 TUBULAÇÕES HIDRÁULICAS
Parker mangueiras (2014) cita que devemos utilizar mangueiras hidráulicas
quando quisermos transportar fluidos líquidos ou gases, absorver vibrações e dar
liberdade de movimentos. As mangueiras hidráulicas são compostas por três
principais partes: alma ou tubo interno, reforço ou carcaça e cobertura ou capa.
Parker mangueiras (2014) comenta que as mangueiras hidráulicas podem
utilizar conexões reusáveis ou permanentes. Nas reusáveis é possível reutilizar as
conexões, substituindo apenas a mangueira danificada. Já nas permanentes as
conexões são fixadas na mangueira de forma que não permitem mais sua remoção.
20
Apesar do bom custo benefício das conexões reusáveis, as conexões fixas pela
forma de prensagem são as mais largamente utilizadas pela indústria.
Segundo Gates (2014) o desempenho de um sistema hidráulico depende
muito dos componentes mais fracos, sendo a interface acoplamento/mangueira o
ponto mais crítico de todo o sistema, sendo, portanto de grande importância a
escolha correta deste tipo de componente.
O autor acima citado ainda afirma que em comparação ao tubo rígido a
mangueira hidráulica apresenta inúmeras vantagens, como a menor suscetibilidade
a vibrações, fácil reposição, permitir um roteamento mais fácil pelos obstáculos e
absorver picos de pressão.
Palmieri (1997) cita que para agilizar o dimensionamento da tubulação
hidráulica, pode ser utilizado um ábaco, entrando com as informações da vazão do
sistema e da velocidade do fluido na linha de pressão ou sucção.
Tabela 2 - Velocidades de escoamento para óleo hidráulico
Tipo
Vmin
Vmax
Sucção e Preenchimento
60,96 cm/s
121,92 cm/s
Retorno
304,80 cm/s
457,20 cm/s
Pressão abaixo de 210 bar
762,20 cm/s
914,40 cm/s
Pressão acima de 210 bar
457,20 cm/s
509,60 cm/s
Fonte: Adaptado de Palmieri (1997).
Para Palmieri (1997) observando-se as velocidades indicadas na Tabela 2,
estaremos contribuindo para que o sistema tenha escoamento laminar (menor perda
de carga), e o cálculo da tubulação invariavelmente resultará em um diâmetro
comercial.
21
3. METODOLOGIA
3.1 MÉTODOS E TÉCNICAS UTILIZADOS
Para a confirmação da existência do problema, foi realizada uma pesquisa em
diversas áreas envolvidas com a utilização do espalhador de palhas, como: Pósvendas, Marketing, Engenharia e Testes de Campo. Todos os profissionais
consultados destacaram que o espalhador de palhas poderia ser mais funcional.
Com a ideia de um acionamento hidráulico, foi realizada uma pesquisa, a fim
de analisar e conhecer o funcionamento dos dois sistemas existentes na
colheitadeira que seriam afetados, o acionamento por correias do espalhador de
palhas e o sistema hidráulico atual da colheitadeira.
Com a pesquisa surgiu à ideia de instalar a válvula e as mangueiras no
comando hidráulico, exatamente na posição onde se instala o espalhador de palhiço,
dispositivo complementar para espalhar resíduos de palhas menores, sendo este
dispositivo normalmente utilizado em associação com o picador de palhas.
Para a análise dos sistemas existentes, foi utilizada uma colheitadeira axial
classe 7 da marca Massey Ferguson com o acessório espalhador de palha instalado,
e previamente disponibilizada para esta finalidade.
O acionamento atual do espalhador de palhas da colheitadeira conforme
Figura 2 é acionado por uma transmissão por correia composto por um conjunto de
polias e tensoras, sendo que no eixo de transmissão do espalhador de palhas existe
um conjunto montado com duas polias de diâmetros diferentes, onde a posição da
correia é alterada para se altenarentre as duas rotações disponíveis.
22
Figura 2 - Transmissão atual do espalhador de palha
Fonte: AGCO do Brasil
O espalhador de palhas trabalha com duas faixas de rotação, portanto o
torque deve ser dimensionado para atender a rotação baixa e a alta. A polia maior
tem diâmetro 430 mm e gira em uma rotação de 530 RPM e a polia menor possui
diâmetro de 250 mm e gira a uma rotação de 900 RPM.
Com a identificação dos componentes atuais do acionamento do espalhador
de palhas e das rotações atingidas pelo sistema de transmissão de polias que
promovem o movimento do mesmo, conheceu-se as particularidades do sistema
hidráulico atual da colheitadeira.
O comando hidráulico possui uma saída onde é acoplada a mangueira de
pressão para o acionamento do espalhador de palhiço e a mangueira de retorno sai
dos motores hidráulicos e vai diretamente ao reservatório hidráulico. Este tipo de
acessório não é utilizado em associação com o espalhador de palhas, portanto uma
oportunidade de acionamento do novo sistema hidráulico seria captar a vazão da
bomba neste mesmo ponto. Para o acionamento do espalhador de palhiço existe
uma válvula de controle de vazão manual, que fica instalada no bloco do comando
hidráulico.
A pesquisa bibliográfica permitiu identificar os componentes necessários para
a criação do sistema desejado, bem como os cálculos que permitiram dimensionar
os novos acessórios do sistema hidráulico.
23
Na pesquisa bibliográfica, se identificou o tipo de válvula controladora de
vazão que poderia ser utilizada no projeto, para o funcionamento do sistema a ser
dimensionado. Substituindo a válvula manual por uma pilotada, foi possível controlar
a vazão à distância, conforme desejado. Com o uso da válvula pilotada, o motor
hidráulico para o acionamento do espalhador de palhas pode ser de vazão fixa. A
Figura 3 representa o esquema do novo sistema hidráulico.
Figura 3 - Sistema hidráulico proposto
O sistema hidráulico proposto é esquematizado conforme Figura 3, onde a
bomba hidráulica (1) já presente no sistema atual, alimenta a eletroválvula (2)
posicionada no comando hidráulico atual. Já a eletroválvula é interligada ao motor
hidráulico (3), por uma mangueira, sendo que o retorno do óleo se dá para o
reservatório hidráulico (4) já existente no sistema hidráulico atual da colheitadeira
pela mangueira de retorno.
A Figura 4 mostra as posições no comando hidráulico onde a mangueira de
pressão e a eletroválvula serão conectados. O balão 2 mostra a posição disponível
para montagem da mangueira da linha de pressão e no balão 3 foi retirada a válvula
atual e instalada a eletroválvula.
24
Figura 4 - Bloco Manifold da MF 9790
Com as equações identificadas na pesquisa bibliográfica, foi possível
dimensionar inicialmente o torque necessário para o conjunto espalhador de palhas,
o que possibilitou os demais dimensionamentos.
Posteriormente
foram
dimensionados
o
motor
hidráulico,
a
válvula
controladora de vazão e as mangueiras da linha de pressão e de retorno. Uma
pesquisa em catálogos de fornecedores identificou componentes que atendem os
dimensionamentos realizados e ao mesmo tempo possuem especificações
comerciais, o que garante a possibilidade de encontrar os novos componentes nos
principais fornecedores nacionais.
O novo sistema hidráulico dimensionado atende as necessidades para o
acionamento do espalhador de palhas, além de propor componentes de bitolas
comerciais, o que torna o sistema de fácil construção em caso de necessidade.
25
4. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
4.1 DIMENSIONAMENTO DO MOTOR HIDRÁULICO
A informação principal para o dimensionamento do motor hidráulico foi o
torque gerado no espalhador de palha e como esta informação não está disponível,
optou-se por determinar o torque à partir da potência máxima transmitida pela
correia nas duas faixas de rotação. Esta informação consta no desenho da correia,
sendo a potência transmitida na rotação de 530 rpm de 13 HP e na de 900 rpm 18
HP. Gieck (2001) cita que 1 HP equivale a 745,7 Watts, portanto, a potência
transmitida, nas duas faixas de rotação são respectivamente 9.694 e 13.420 watts.
Para a determinação do valor de torque máximo, foram necessários dois
dimensionamentos, visto que o espalhador de palhas trabalha em duas faixas de
rotação, uma com 900 rpm para a cultura de milho e outra com 530 rpm para a
cultura de arroz. Para o dimensionamento do momento torçor, foi utilizada a
Equação 1.
Com rotação de 530 rpm para a colheita de arroz.
Com rotação de 900 rpm para cultura de milho.
Com a determinação dos valores de torque, fica então possível determinar o
deslocamento volumétrico do motor hidráulico conforme a Equação 2.
Com o dimensionamento do deslocamento volumétrico do motor, fica possível
determinar sua vazão utilizando a Equação 3.
26
Os dimensionamentos realizados permitiram identificar a vazão necessária
para o funcionamento do motor hidráulico, porém não se encontrou nas
especificações dos fornecedores, um motor que se adequasse aos valores de vazão,
torque e velocidade máximas, necessários para o projeto.
A vazão da bomba atual da colheitadeira pode ser identificada no desenho da
mesma, sendo este valor 45 cm³/rev. A rotação do motor da colheitadeira em
trabalho é de aproximadamente 2200 rpm, portanto equacionando obteve-se uma
vazão de 99.000 cm³/rev, o que equivale a uma vazão na bomba de
aproximadamente 99 l/min. O desenho da bomba hidráulica pode ser visto no Anexo
A.
Pela vazão encontrada na bomba atual da colheitadeira, teria como se
aumentar a vazão do motor hidráulico. Conforme o Anexo B, a Sauer Danfoss possui
um motor hidráulico com vazão de 80 l/min que tem especificações bastante
similares as especificações necessárias ao projeto.
Tabela 3 – Especificações do motor hidráulico Sauer Danfoss
Especificações para Projeto
Motor Hidráulico Sauer Danfoss
Vazão
64 l/min
Vazão
75 l/min
Torque
175 N.m
Torque
220 N.m
Velocidade
900 rpm
Velocidade
940 rpm
Conforme a Tabela 3, o motor hidráulico OMR 80 da Sauer Danfoss tem as
especificações bastante similares aos dimensionamentos realizados, necessitando,
porém de uma vazão maior, que pode perfeitamente ser atingida pela bomba
hidráulica atual.
4.2 DETERMINAÇÃO DA ELETROVÁLVULA
Conforme informações levantadas na pesquisa bibliográfica, para o correto
funcionamento do sistema hidráulico proposto é necessária a especificação de uma
válvula controladora de vazão.
O dimensionamento da vazão do motor hidráulico permite determinar o
modelo de válvula que irá comandar a vazão do futuro acionamento hidráulico do
27
espalhador de palha da colheitadeira. Para atender as funcionalidades esperadas no
sistema, a válvula deverá permitir uma vazão adequada à dimensionada
anteriormente pela Equação 3 e ser uma válvula com controle de vazão à distância.
A válvula escolhida é do fornecedor hydraforce, modelo HPV16-31, com
vazão máxima de 114 l/min e pressão de operação de 240 bar conforme Anexo C.
Este modelo por ser uma eletroválvula permitirá o controle à distância, atendendo
assim a principal característica do novo sistema hidráulico. A vazão máxima
necessária para o funcionamento do motor hidráulico foi de 80 l/min, enquanto a
vazão máxima da válvula fica em 114 l/min.
4.3 DIMENSIONAMENTO DAS TUBULAÇÕES
Palmieri (1997) afirma que o dimensionamento do diâmetro interno das
tubulações pode ser determinado a partir de um ábaco. Este ábaco necessita da
vazão máxima do sistema e da velocidade do fluido no sistema.
A informação da faixa de pressão da bomba consta no desenho da mesma,
sendo este valor de 190 bar. Conforme citado por Palmieri (1997) a faixa de
velocidade adequada a pressões abaixo de 210 bar fica entre 762,20 e 914,40 cm/s.
Para o dimensionamento da tubulação de pressão foi considerado o valor de
762,20 cm/s conforme a Tabela 2, o que nos dá um valor de 7,62 m/s. Este valor foi
utilizado no ábaco. Com as informações disponíveis foi utilizado o ábaco para a
determinação do diâmetro interno da tubulação de pressão, que ficou em 16 mm.
O mesmo caso se dá para a determinação do diâmetro interno da tubulação
de retorno, porém para este caso conforme Tabela 2 será considerado o valor de
304,80 cm/s. Ajustando os valores obtidos no ábaco chegamos ao valor de 26 mm
de diâmetro interno conforme Anexo D.
Com
a
dimensão
do
diâmetro
interno
das
mangueiras hidráulicas
determinada, buscou-se em catálogos de fornecedores um dimensional próximo ao
determinado e que seja comercialmente encontrado com facilidade.
Conforme o Anexo E, os diâmetros internos disponíveis, que mais se
adequam aos dimensionados são 16 mm para a de pressão e 25 mm para a de
retorno.
A mangueira de pressão será de diâmetro interno 16 mm e diâmetro externo
de 24 mm, com comprimento de 4100 mm. A especificação é 451 ST conforme a
28
norma SAE100 R17, com pressão máxima de 3000 psi. As ponteiras serão 9/16-18
THD - JIC - 0° conforme SAE J516, devendo atender a norma de limpeza
GF10750201.
A mangueira de retorno será de diâmetro interno 25 mm e diâmetro externo
de 35 mm, com comprimento de 2700 mm. A especificação é 451 ST conforme a
norma SAE100 R17, com pressão máxima de 3000 psi. As ponteiras serão 9/16-18
THD - JIC - 0° conforme SAE J516, devendo atender a norma de limpeza
GF10750201.
4.3 DETERMINAÇÃO DO REGIME DE ESCOAMENTO
Segundo Palmieri (1997) o tipo de escoamento depende de vários fatores,
entre eles o diâmetro interno da tubulação. Existem dois tipos de escoamento, o
laminar e o turbulento.
Para saber quando o regime é laminar ou turbulento Palmieri (1997) destaca
que deve ser determinado o número de Reynolds. Quando o número de Reynolds
estiver em uma faixa de 0 a 2000, o escoamento é laminar, se estiver acima de 3000
o escoamento é turbulento.
Para a determinação do número de Reynolds Reik, et al (2005) propõe a
utilização da Equação 4:
4
Onde:
Re = Nº de Reynolds;
D = diâmetro interno da tubulação em mm;
v = velocidade do fluido em m/s;
ν = viscosidade cinemática em mm²/s;
O óleo hidráulico utilizado na colheitadeira analisada é o ISO VG68,
conhecido
comercialmente
pela
descrição
de
Shell
Tellus
S2M68.
Nas
especificações do fabricante conforme Anexo F, constam os valores da viscosidade
cinemática para as temperaturas de 0°C e 100°C, sendo estes valores
respectivamente 1040 e 8,6 cSt. Para fim de alinhamento com a Equação 4, um
centistroke equivale a 1 mm²/s.
29
A temperatura de trabalho do sistema hidráulico é de aproximadamente 75°C,
portanto a obtenção do valor da viscosidade cinemática para esta condição terá de
ser por interpolação. Com a ajuda de uma calculadora HP50G o valor da viscosidade
cinemática foi obtido por interpolação, sendo o valor encontrado de 33,4 mm²/s.
Com o valor da viscosidade cinemática determinado, determinou-se pela
Equação 4 o nº de Reynolds.
Como o valor de Reynolds ficou acima de 3000, ficou caracterizado um
escoamento turbulento na pressão. Para modificar o escoamento para laminar,
optou-se pela diminuição do diâmetro interno. Segundo o Anexo E o próximo
diâmetro comercial existente é o de 12,5mm. Utiliza-se então novamente a Equação
4.
Com a alteração do diâmetro interno da tubulação para 12,5 mm o valor do
número de Reynolds ficou em 2850, o que representa um escoamento laminar. Esta
condição atende as necessidades do projeto.
A mangueira de pressão que anteriormente estava especificada com diâmetro
interno de 16 mm agora será de diâmetro interno 12,5 mm e diâmetro externo de 20
mm, com comprimento de 4100 mm. A especificação é 451 ST conforme a norma
SAE100 R17, com pressão máxima de 3000 psi. As ponteiras serão 9/16-18 THD JIC - 0° conforme SAE J516, devendo atender a norma de limpeza GF10750201.
Com a especificação do diâmetro interno da tubulação de retorno em 25 mm,
pode-se então utilizar a equação 4 para a determinação do nº de Reynolds na
tubulação de retorno.
Como o valor do número de Reynolds ficou em 2245, o escoamento fica
caracterizado como laminar, o que atende a necessidade de projeto.
30
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A pesquisa exploratória e a bibliográfica realizadas permitiram criar um
sistema hidráulico novo, que se adapta perfeitamente ao sistema existente.
A vazão necessária para o motor hidráulico fica dentro da faixa disponível
pela bomba, a válvula controladora de vazão escolhida se adapta perfeitamente a
faixa de trabalho do motor hidráulico dimensionado e as mangueiras hidráulicas,
bem como as conexões que foram utilizadas se adaptam perfeitamente ao sistema
hidráulico atual. Todos os componentes escolhidos são de catálogos comerciais, o
que torna o projeto de fácil construção.
O objetivo deste trabalho era dimensionar um sistema hidráulico que
permitisse o acionamento do espalhador de palhas pela ação de uma válvula
controladora de vazão, tendo assim um sistema caracterizado pela rotação variável
das hélices do espalhador de palhas sem a necessidade de parar a operação da
colheitadeira. Pelos dimensionamentos realizados, concluiu-se que um sistema
deste porte é plenamente realizável. A Figura 5 apresenta o novo sistema hidráulico
proposto em associação com o sistema hidráulico atual da colheitadeira.
Figura 5 – Novo sistema hidráulico proposto
31
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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32
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33
ANEXO A – DESENHO DA BOMBA HIDRÁULICA
Fonte: AGCO do Brasil
34
ANEXO B – ESPECIFICAÇÃO DO MOTOR HIDRÁULICO
Fonte: Sauer Danfoss, 2014.
35
ANEXO C – ELETROVÁLVULA PWM HYDRAFORCE
Fonte: Hydraforce (2014).
36
ANEXO D – ÁBACO PARA DIMENSIONAR DIÂMETRO INTERNO DE TUBO
Fonte: Adaptado de Palmieri, 1997.
37
ANEXO E – CATÁLOGO MANGUEIRAS PARKER
Fonte: Parker Hose Division (2014).
38
ANEXO F – ESPECIFICAÇÃO DO ÓLEO ISO VG 68
Fonte: Shell, 2014.